JP2007530869A - 過給気内燃機関の排気再循環装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、過給気燃焼機関１の排気再循環装置に関する。装置は、燃焼機関１から出る排気を導くための排気ライン３と、大気圧よりも高圧で燃焼機関１に空気を導くための入口ライン６と、排気ライン３への接続部と入口ライン６への接続部を有する帰還ライン８とを含み、帰還ライン８を経て排気ライン３から入口ライン６に排気を再循環させることができる。装置は、排気が入口ライン６で空気と混合される前に、帰還ライン８の排気を冷却するために帰還ライン８に組み込まれる第１の冷却器１０を含む。第１の冷却器１０の排気が、周囲温度に事実上対応する温度である第１の媒体によって冷却される。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載された過給気燃焼機関における排気再循環装置に関するものである。

ＥＧＲ（排気再循環）として知られる技術は、燃焼機関における燃焼プロセスから出る排気の一部を、帰還ラインを通じて燃焼機関に空気を供給するための入口ラインに戻して導く既知の方法である。このように、空気と排気の混合物は、燃焼が行われるエンジンのシリンダに入口ラインを通じて供給される。空気に対する排気の添加は、燃焼温度の低下を引き起こし、とりわけ排気中窒素酸化物ＮＯ_ｘの低減化された含有量に帰する。この技術は、オットー機関とディーゼル機関の両者に適用される。

過給気燃焼機関に供給可能な空気の量は、空気の圧力に依存するが、同様に空気の温度にも依存する。したがって、燃焼機関に最大可能量の空気を供給することは、圧縮空気が燃焼機関に導かれる前に、給気冷却器内の圧縮空気を冷却することを伴う。圧縮空気は、給気冷却器を通って流れる周囲空気によって、給気冷却器で冷却される。斯様に、圧縮空気は、周囲温度よりも僅かに数度高い温度まで冷却可能である。ＥＧＲ技術を使用する場合、帰還排気も冷却の必要がある。これは、いわゆるＥＧＲ冷却器によって達成される。ＥＧＲ冷却器は、冷却系内で循環する冷却剤によってＥＧＲ冷却器内で排気が冷却されるように、燃焼機関の冷却系に通常接続される。このように、ＥＧＲ冷却器は、排気が、冷却系内の冷却剤温度よりも低温度に冷却され得ない限界を受ける。したがって、冷却された排気は、燃焼機関に対する入口ラインに投入されるとき、通常、冷却された圧縮空気よりも高温度である。したがって、燃焼機関に導かれる排気と空気の混合物は、排気の再循環を受けない過給気燃焼機関に導かれる圧縮空気よりも高い温度である。したがって、ＥＧＲを装備する過給気燃焼機関の性能は、ＥＧＲを装備しない過給気燃焼機関の性能よりも若干劣る。

本発明の目的は、排気の再循環が、排気再循環を行なわない場合の対応燃焼機関の性能と比べて劣る燃焼機関性能に帰着することのないような、過給気燃焼機関における排気再循環を行なう装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部分で規定される、導入部で述べた種類の装置によって達成される。これは、周囲温度に実質的に対応する温度である冷却媒体によって冷却器内で冷却される排気を伴う。それによって、排気は、周囲温度よりも僅かに高い温度まで冷却され得る。かくして、排気温度を、従来の給気冷却器での冷却後の圧縮空気温度に実質的に対応する温度にすることができる。したがって、燃焼機関に供給される排気と圧縮空気の混合物は、排気再循環のない対応する燃焼機関に供給される圧縮空気よりも高温度ではない。したがって、本発明装置を有する燃焼機関の性能は、ＥＧＲを設けない燃焼機関の性能に実質的に対応できる。

本発明の好適形態によれば、前記第１の冷却媒体は、周囲空気である。周囲空気は、常に利用可能な媒体であり、それを第１の冷却器を通して流すために専用の機器を必要としない。冷却媒体として周囲空気を使用することで、周囲空気の温度に近い水準まで排気を冷却することを可能にする。したがって、圧縮空気を冷却するための従来の給気冷却器内と同じ冷却媒体が、第１の冷却器で使用される。これは、従来の給気冷却器内の圧縮空気と同じ水準まで排気の冷却が可能であることを意味する。本装置は、燃焼機関を動力とする車両で有利に使用される。結果は、車両の作動中、第１の冷却器を通る周囲空気の自然流となる。第１の冷却器を通る空気流を保証するために、冷却ファンを組み込んでもよい。

本発明の好適形態によれば、本発明装置は、帰還ライン内の排気を冷却するように構成された第２の冷却器を含む。空気等の気体冷却媒体は、通常、冷却器内での徐熱に関してとりわけ有効というわけではない。空気によって冷却される冷却器よりも実質的に有効な冷却器が存在する。したがって、高温の排気が、第１の冷却器によって冷却される前に、第１段階として高温の排気を冷却するための斯かる有効な第２の冷却器を使用することは有利である。第２の冷却器は、好適には液体媒体によって冷却される。通常、液体媒体は、気体媒体よりもかなり有効に冷却を行うことができる。したがって、空冷式冷却器と同一の冷却能力を有する液体冷却式冷却器は、かなり小さく作成できる。そのような液体冷却式の第２の冷却器を、帰還ラインに組み込むと、排気の温度は、第１段階として有効に低下可能である。したがって、第１の冷却器の冷却性能はかなり低くてよく、第１の冷却器は、かなり小さく作ることができる。液体媒体は、同様に燃焼機関を冷却するようになされた冷却系内で循環するようにすることができる。そのような場合、車両冷却系内の既存の冷却剤は、第１段階として排気を冷却するために使用される。冷却剤の温度は、周囲空気の温度よりも高いが、結果は、冷却剤の温度と排気の温度との間の比較的大きな相違になる。斯様に、第２の冷却器内の冷却剤は、排気の有効な冷却を行うことができる。

別の好適形態によれば、本発明装置が第３の冷却器を含み、空気が帰還ラインからの排気と混合される前に、第３の冷却器によって入口ライン内の空気が冷却される。斯かる第３の冷却器は、有利に空気冷却され、かつ、従来の給気冷却器であってよい。第１および第３の冷却器は、互いに接近して配置するのが有利である。第１および第３の冷却器は、いずれも空気冷却されるので、それらは、周囲空気がそれらを通って流れる実質的に共通の場所に配置可能である。そのような場合、第１および第３の冷却器は、統合されたユニットをなすことができる。結果は、車両へのに取り付けが容易なモジュールとしての複合冷却器ユニットである。第１および第３の冷却器は、それぞれ一平面に主たる広がりを有する平坦な冷却器エレメントの形態にすることができ、その際、第１および第３の冷却器は実質的に共通平面に広がりを有する。そのような場合、冷却空気は、前記平面に実質的に直角方向に冷却器を通って流れる。

本発明の別の好適形態によれば、第１および第３の冷却器が、燃焼機関を冷却するようになされた冷却系内の冷却剤を冷却するために、第４の冷却器に接近して配置される。斯様に、第１および第３の冷却器の位置は、周囲空気の貫通流を供給するように既に設計されている車両領域にある。この場合、冷却ファンを設けて、冷却系の冷却剤、第１の冷却器における排気、および、第３の冷却器における圧縮空気を有効に冷却する性能を大きくすることもできる。

以下、添付図面を見ながら、本発明の好適例について説明する。

図１は、過給気燃焼機関における排気再循装置を模式的に示す。この場合の燃焼機関はディーゼル機関１である。斯様な再循環は、通常、ＥＧＲ（排気再循環）と呼ばれる。燃焼機関のシリンダに導かれる圧縮空気に対する排気の添加は、燃焼温度を低下させ、したがって、燃焼プロセスの間に形成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の含有量も低下させる。ディーゼル機関１は、例えば重い車両に動力を供給することを目的とすることができる。ディーゼル機関１のシリンダからの排気は、排気マニホールド２を経て排気ライン３に導かれる。大気圧よりも高い排気ライン３内の排気が、タービン４に導かれる。斯様に、タービン４に駆動動力が提供され、これは、接続部を介して圧縮機５に伝達される。圧縮機５は、入口ライン６に導かれる空気を圧縮する。給気冷却器７は、入口ライン６に配設される。給気冷却器７の目的は、圧縮空気がディーゼル機関１に導かれる前に、圧縮空気を冷却することである。圧縮空気は、周囲空気によって給気冷却器７で冷却される。

帰還ライン８は、再循環のために排気ライン３からの排気の一部の供給を企図するためのものである。帰還ライン８は、第１段階としてＥＧＲが冷却されるＥＧＲ冷却器９を含む。また、帰還ライン８は、第２段階として排気を冷却するための排気冷却器１０を含む。排気は、周囲空気によって排気冷却器１０で冷却される。最後に、帰還ライン８は、ＥＧＲバルブ１１の形態のバルブを含み、ＥＧＲバルブ１１によって、帰還ライン８内の排気の流れは、必要に応じて遮断できる。ＥＧＲバルブ１１は、帰還ライン８を経て入口ライン６に導かれる排気の量を制御するために使用できる。代替的に、ＥＧＲ冷却器９の前、または、ＥＧＲ冷却器９と排気冷却器１０との間にＥＧＲバルブ１１を配置できる。制御ユニット１２は、ディーゼル機関１の現在の動作状態に関する情報に基づいて、ＥＧＲバルブ１１を制御するようになされる。制御ユニット１２は、適切なソフトウエアを付与されたコンピュータ・ユニットであってよい。過給気ディーゼル機関１では、所定の動作状態における排気の圧力は、入口ライン６内の圧縮空気の圧力より低い。そのような状態で、特別な補助手段なしに、帰還ライン８内の排気を入口ライン６内の圧縮空気に直接混合することできない。このため、例えばベンチュリ１３を使用することができる。代わって、燃焼機関が過給気オットー機関である場合、排気を、入口ライン６に直接導くことができる。なぜなら、事実上全ての動作状態におけるオットー機関の排気は、入口ライン６内の圧縮空気よりも高圧だからである。排気が、入口ライン６内の圧縮空気と混合されと、混合物は、マニホールド１４を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれる。

図２ａ、図２ｂは、給気冷却器７および排気冷却器１０の２つの異なる例を模式的に示す。給気冷却器７および排気冷却器１０は、主に一平面内の広がりを有する事実上平坦な冷却器パッケージを共に構成するパイプ系と冷却フランジを含む。図２ａにおいて、給気冷却器７および冷却器１０は、２つの別体ユニットの形態になっている。しかしながら、給気冷却器７および冷却器１０が事実上共通平面内の広がりを有するように、それらは、互いに並んで配設される。図中、冷却器７、１０を通る空気流の方向が矢印で示されている。冷却空気は、冷却器の範囲のそれぞれの平面に対して事実上直角方向に、給気冷却器７および排気冷却器１０を通って流れる。図２ｂにおいて、給気冷却器７および排気冷却器１０は、統合されたユニットをなす。この場合、給気冷却器７と排気冷却器１０は、適切な方法で互いに組み合わされる。結果は、車両に容易に装着されるモジュール型複合冷却器ユニットである。給気冷却器７と排気冷却器１０は、車両の冷却系における冷却剤を冷却するための従来の冷却器１５に接近して位置する。給気冷却器７および排気冷却器１０は、従来の冷却器１５から或る距離を置いて配置される。給気冷却器７および排気冷却器１０の共通の広がり平面は、従来の冷却器要素１５の主広がり平面と平行である。その場合、周囲空気が従来の冷却器１５を通って流れる前に、初めに給気冷却器７および排気冷却器１０を通って周囲空気が流れる。

ディーゼル機関１の作動中、排気がタービン４を駆動する。斯様に、タービン４は、圧縮機５を駆動するための駆動動力を与えられる。圧縮機５は、入口ライン６内に導かれる空気を圧縮する。ディーゼル機関１の大部分の動作状態において、制御ユニット１２は、排気ライン３内の排気の一部が帰還ライン８に導かれるように、ＥＧＲバルブ１１を開いたままにする。この状態で、排気は、温度約６００℃〜７００℃である。帰還ライン８内の排気が、ＥＧＲ冷却器９に到達すると、排気は第１段階の冷却を受ける。この段階で、排気は、冷却系の冷却剤によって冷却される。ここで、排気は主たる温度低下を受ける。しかしながら、ＥＧＲ冷却器９は、せいぜい冷却剤の温度に対応する温度までしか排気を冷却することができないという限界を有する。冷却系における冷却剤の温度は変化するであろうが、正常動作において、通常８０℃〜１１０℃の範囲内にある。ディーゼル機関１に供給可能な圧縮空気および排気の量は、空気および排気の圧力、並びに空気および排気の温度に応じる。したがって、再循環排気を更に冷却することが重要である。したがって、排気は、排気が周囲空気によって冷却される排気冷却器１０内に導かれる。冷却媒体として周囲空気を使用することによって、排気が周囲空気の温度に近い水準まで冷却されることを可能にする。このように、排気は、給気冷却器７内の圧縮空気と実質的に同一の水準まで冷却可能である。

過給気ディーゼル機関１では、或る作動状態で、排気の圧力が入口ライン６における圧縮空気の圧力よりも低い。入口ライン６に排気を導き、かつ、入口ライン６内の圧縮空気と排気が混合されるように、帰還ライン８に局所的に接近する入口ライン６における空気の静圧を下げるように、ベンチュリ１３を使用できる。この状態で、事実上同じ温度である排気と圧縮空気が、その後、マニホールド１４を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれる。このように、再循環排気の２段階冷却が行われるディーゼル機関は、入口ラインの圧縮空気と同じ水準まで排気を冷却できる。したがって、その性能は、ＥＧＲを具備しない燃焼機関の性能に事実上対応する。

本発明は、図示例に限定されず、特許請求の範囲で規定される範囲内で自由に変形可能である。斯様に、周囲温度に事実上対応する温度まで帰還ライン８の排気を冷却するために、排気冷却器１０のみを使用することは考えられない。

過給気ディーゼル機関で排気を再循環するための装置例を示す図。 第１例による給気冷却器と排気冷却器の配置を模式的に示す図。 第２例による給気冷却器と排気冷却器の配置を模式的に示す図。

Claims (10)

1. 過給気燃焼機関（１）の排気再循環装置であり、
   前記燃焼機関（１）から出る排気を導くための排気ライン（３）と、
   大気圧よりも高い圧力で前記燃焼機関（１）に空気を導くための入口ライン（６）と、
   前記排気ライン（３）への接続部、および、前記入口ライン（６）への接続部を有する帰還ライン（８）とを含み、
   前記帰還ライン（８）を経て、前記排気ライン（３）から前記入口ライン（６）に排気を再循環させることのできる排気再循環装置において、
   排気が前記入口ライン（６）で前記空気と混合される前に、前記帰還ライン（８）の前記排気を冷却するために、前記帰還ライン（８）に組み込まれる第１の冷却器（１０）を含み、それによって、前記第１の冷却器（１０）内の前記排気が、周囲温度に事実上対応する温度である第１の媒体によって冷却されることを特徴とする排気再循環装置。
2. 前記第１の媒体が周囲空気であることを特徴とする請求項１に記載された排気再循環装置。
3. 排気が前記第１の冷却器（１０）に到達する前に、前記帰還ライン（８）内の前記排気を冷却するための第２の冷却器（９）を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された排気再循環装置。
4. 前記第２の冷却器（９）が、液体媒体によって冷却されることを特徴とする請求項３に記載された排気再循環装置。
5. 前記液体媒体が、前記燃焼機関（１）を冷却するようになされた冷却系内で再循環されるようになされていることを特徴とする請求項４に記載された排気再循環装置。
6. 空気が前記帰還ライン（８）から来る前記排気と混合される前に、前記入口ライン（６）内の前記空気を冷却するための第３の冷却器（７）を含むことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された排気再循環装置。
7. 前記第１の冷却器（１０）および前記第３の冷却器（７）が、互いに接近して位置することを特徴とする請求項６に記載された排気再循環装置。
8. 前記第１の冷却器（１０）および前記第３の冷却器（７）が、統合されたユニットを構成することを特徴とする請求項７に記載された排気再循環装置。
9. 前記第１の冷却器（１０）および前記第３の冷却器（７）が、それぞれ一平面に主要な広がりを有する平坦な冷却器パッケージの形態をなし、それによって前記第１の冷却器（１０）と前記第３の冷却器（７）が、事実上共通平面内に広がりを有するように相互に位置付けられていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載された排気再循環装置。
10. 前記第１の冷却器（１０）および前記第３の冷却器（７）が、冷却系の冷却剤を冷却するための第４の冷却器（１５）に接近して位置づけられていることを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載された排気再循環装置。

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